Помощь студентам в учебе
Исследование влияния пористой структуры углей на их взрывопожароопасность
|
Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕЙ 8
1.1 Виды углей 8
1.2 Марки углей 9
1.3 Клас сификация углей 15
1.4 Физические свойства углей 17
1.5 Методы исследования пористой структуры 20
2 ТРЕБОВАНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К
ДОБЫЧЕ УГЛЕЙ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ 22
2.1 Общие требования 22
2.2 Предупреждение подземных эндогенных пожаров 23
2.3 Предупреждение экзогенных пожаров 25
2.4 Тушение подземных пожаров 26
3 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
3.1 Объекты исследования 27
3.2 Методы исследования 27
4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 30
4.1 Определение открытой пористости углей 30
4.2 Сравнительный анализ поровой структуры бурых и каменных углей 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 36
ПРИЛОЖЕНИЯ 37
ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты ртутной порометрии бурого угля пробы 1 38
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 2 39
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 3 ..
.. 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 4 ..
.. 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 5 ..
.. 42
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 6 ..
.. 43
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕЙ 8
1.1 Виды углей 8
1.2 Марки углей 9
1.3 Клас сификация углей 15
1.4 Физические свойства углей 17
1.5 Методы исследования пористой структуры 20
2 ТРЕБОВАНИЯ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К
ДОБЫЧЕ УГЛЕЙ ПОДЗЕМНЫМ СПОСОБОМ 22
2.1 Общие требования 22
2.2 Предупреждение подземных эндогенных пожаров 23
2.3 Предупреждение экзогенных пожаров 25
2.4 Тушение подземных пожаров 26
3 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 27
3.1 Объекты исследования 27
3.2 Методы исследования 27
4 АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ 30
4.1 Определение открытой пористости углей 30
4.2 Сравнительный анализ поровой структуры бурых и каменных углей 31
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 34
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 36
ПРИЛОЖЕНИЯ 37
ПРИЛОЖЕНИЕ А Результаты ртутной порометрии бурого угля пробы 1 38
ПРИЛОЖЕНИЕ Б Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 2 39
ПРИЛОЖЕНИЕ В Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 3 ..
.. 40
ПРИЛОЖЕНИЕ Г Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 4 ..
.. 41
ПРИЛОЖЕНИЕ Д Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 5 ..
.. 42
ПРИЛОЖЕНИЕ Е Результаты ртутной порометрии каменного угля пробы 6 ..
.. 43
Склонность к самовозгоранию - способность веществ и материалов к самовозгоранию.
Самовозгорание - самопроизвольное возникновение горения вследствие постепенного накопления тепла при протекании экзотермических реакций в каких-либо твёрдых горючих материалах. Накопление тепла вследствие протекания экзотермических реакций происходит при определённых условиях (высокая удельная поверхность дисперсных материалов, слабый теплоотвод) и, вследствие повышения температуры материала (самонагревания), ведёт к самоускорению таких реакций.
Многие материалы взаимодействуют с кислородом воздуха при обычной температуре. В условиях, благоприятствующих аккумуляции тепла в массе материала, происходит повышение его температуры, что приводит к повышению скорости реакции окисления. Это может вызвать самовозгорание дисперсного материала внутри технологического оборудования, воздуховодов, при транспортировании и хранении веществ и материалов. Наиболее склонны к тепловому самовозгоранию материалы, обладающие большой пористостью и структурой, обеспечивающей проникновение кислорода в зону реакции [9].
Не менее важным условием склонности к самовозгоранию является способность материалов к аккумуляции тепла. Самонагревающаяся масса твёрдого материала имеет неоднородное температурное поле вследствие различных условий теплоотвода: центральные зоны объёма нагреваются до более высоких температур, чем поверхности. В свою очередь высокая температура интенсифицирует экзотермические реакции окисления, протекающие в массе материала, повышая общую скорость процесса. Поскольку промежуточным продуктом при самовозгорании большинства органических материалов является уголь, закономерности его самовозгорания оказывают существенное влияние на процесс в целом. При этом значительную роль в самовозгорании углей играет их способность на начальной стадии процесса сорбировать пар и влагу. Эти процессы протекают с экзотермическим эффектом. Чем больше объём дисперсного материала, тем лучше условия аккумуляции тепла в нём, тем выше вероятность его воспламенения [10].
С увеличением пористости частиц и пористости слоя (начальной плотности) улучшается перенос кислорода к межфазной поверхности в зону реакции окисления. Это способствует более интенсивному самонагреванию материала, так как уменьшается теплопроводность смеси частиц с воздухом и увеличивается скорость нагрева за счёт уменьшения теплоёмкости единицы объёма материала. Наоборот, уплотнение слоя частиц (увеличение насыпной плотности) способствует отводу тепла из зоны реакции вследствие увеличения его коэффициента теплопроводности.
Известно, что уголь и углесодержащие породы обладают способностью сорбировать кислород из воздуха. Развивающиеся при этом окислительные процессы приводят либо к самовозгоранию, либо к выветриванию угля. Пожары, возникающие вследствие самовозгорания угля, создают опасные условия для человека, обусловливают потери полезного ископаемого, приводят к большим материальным убыткам.
Самовозгорание угля в штабелях при его хранении на складах помимо того, что оно требует больших усилий на тушение пожара и перемещение, охлаждение и изоляцию разогретых масс угля, приводит к загрязнению окружающей атмосферы. Вследствие горения породных отвалов содержание окиси углерода, сернистого ангидрида и сероводорода на расстоянии до 2 км от отвалов превышает допустимые санитарные нормы.
В связи с этим возрастает значение научных работ, направленных на создание надежных средств предотвращения самовозгорания угля на основе исследования причин и условий возникновения очагов пожаров.
Целю выпускной квалификационной работы является установление связи влияния пористости углей на их способность к самовозгоранию.
Задачи выпускной квалификационной работы
- изучить физико-технологические свойства бурых и каменных углей;
- изучить теоретические аспекты процесса самовозгорания каменноугольных и бурых углей;
- провести сравнительный анализ поровой структуры бурых и каменноугольных углей.
Самовозгорание - самопроизвольное возникновение горения вследствие постепенного накопления тепла при протекании экзотермических реакций в каких-либо твёрдых горючих материалах. Накопление тепла вследствие протекания экзотермических реакций происходит при определённых условиях (высокая удельная поверхность дисперсных материалов, слабый теплоотвод) и, вследствие повышения температуры материала (самонагревания), ведёт к самоускорению таких реакций.
Многие материалы взаимодействуют с кислородом воздуха при обычной температуре. В условиях, благоприятствующих аккумуляции тепла в массе материала, происходит повышение его температуры, что приводит к повышению скорости реакции окисления. Это может вызвать самовозгорание дисперсного материала внутри технологического оборудования, воздуховодов, при транспортировании и хранении веществ и материалов. Наиболее склонны к тепловому самовозгоранию материалы, обладающие большой пористостью и структурой, обеспечивающей проникновение кислорода в зону реакции [9].
Не менее важным условием склонности к самовозгоранию является способность материалов к аккумуляции тепла. Самонагревающаяся масса твёрдого материала имеет неоднородное температурное поле вследствие различных условий теплоотвода: центральные зоны объёма нагреваются до более высоких температур, чем поверхности. В свою очередь высокая температура интенсифицирует экзотермические реакции окисления, протекающие в массе материала, повышая общую скорость процесса. Поскольку промежуточным продуктом при самовозгорании большинства органических материалов является уголь, закономерности его самовозгорания оказывают существенное влияние на процесс в целом. При этом значительную роль в самовозгорании углей играет их способность на начальной стадии процесса сорбировать пар и влагу. Эти процессы протекают с экзотермическим эффектом. Чем больше объём дисперсного материала, тем лучше условия аккумуляции тепла в нём, тем выше вероятность его воспламенения [10].
С увеличением пористости частиц и пористости слоя (начальной плотности) улучшается перенос кислорода к межфазной поверхности в зону реакции окисления. Это способствует более интенсивному самонагреванию материала, так как уменьшается теплопроводность смеси частиц с воздухом и увеличивается скорость нагрева за счёт уменьшения теплоёмкости единицы объёма материала. Наоборот, уплотнение слоя частиц (увеличение насыпной плотности) способствует отводу тепла из зоны реакции вследствие увеличения его коэффициента теплопроводности.
Известно, что уголь и углесодержащие породы обладают способностью сорбировать кислород из воздуха. Развивающиеся при этом окислительные процессы приводят либо к самовозгоранию, либо к выветриванию угля. Пожары, возникающие вследствие самовозгорания угля, создают опасные условия для человека, обусловливают потери полезного ископаемого, приводят к большим материальным убыткам.
Самовозгорание угля в штабелях при его хранении на складах помимо того, что оно требует больших усилий на тушение пожара и перемещение, охлаждение и изоляцию разогретых масс угля, приводит к загрязнению окружающей атмосферы. Вследствие горения породных отвалов содержание окиси углерода, сернистого ангидрида и сероводорода на расстоянии до 2 км от отвалов превышает допустимые санитарные нормы.
В связи с этим возрастает значение научных работ, направленных на создание надежных средств предотвращения самовозгорания угля на основе исследования причин и условий возникновения очагов пожаров.
Целю выпускной квалификационной работы является установление связи влияния пористости углей на их способность к самовозгоранию.
Задачи выпускной квалификационной работы
- изучить физико-технологические свойства бурых и каменных углей;
- изучить теоретические аспекты процесса самовозгорания каменноугольных и бурых углей;
- провести сравнительный анализ поровой структуры бурых и каменноугольных углей.
Выполненное исследование пористой структуры углей позволило сделать следующие выводы:
1. Уголь представляет собой многокомпонентную горную породу, которая состоит из неоднородной органической массы угля, влаги и минеральных включений различного состава.
2. Уголь образовался из остатков отмерших живых организмов, в первую очередь растительных, в результате их биохимических, химических и физических изменений. Превращение отмерших растений в уголь происходит в два этапа: первый - это гумификация, когда органическая масса под влиянием кислорода и бактерий претерпевает биохимическое превращение (образуется торф); второй - это углефикация, под влиянием температуры, давления и минеральных компонентов происходят геохимические процессы превращения торфа в бурый уголь, при дальнейшей углефикации бурые угли превращаются в каменные и антрациты.
3. Физические и технические свойства углей зависят от условий его происхождения. Основной характеристикой, отражающей склонность углей к самовозгоранию, является температура самовоспламенения (самовозгорания) угля.
4. Склонность углей к самовозгоранию зависит от их пористой структуры. Выполненные лабораторные исследования с помощью ртутного порозиметра Quantachrome Poremaster 33/60 (США) показали, что проба 1 бурого угля имеет наибольший объем пор, который составляет 0,13 см 3/г, при преобладающем диаметре пор 70 мкм. Объем пор проб 2 и 3 - минимальный из исследуемых образцов и составляет 0,04 см3/г при максимальном диаметре пор 250 мкм. Объем остальных проб каменного угля варьируется от 0,085 до 0,1 см 3/г при максимальном диаметре пор 173 мкм.
5. Максимальный общий объем мелких пор в буром угле указывает на его наибольшую склонность к самовозгоранию из изучаемых образцов угля, что подтверждается практикой эксплуатации угольных месторождений открытым и подземным способом.
6. Каменные угли обладают меньшей способностью к самовозгоранию и тлению по сравнению с бурыми углями, однако, следует отметить, что порах каменного угля может накапливаться метан, выделение и накопление которого в замкну
том пространстве взрывоопасно.
7. Для установления взаимосвязи между поровой структурой углей и их способностью к самовозгоранию необходимо продолжить исследования, основной задачей которых будет изучение влияния удельной поверхности материала, адсорбционной способности, соотношения мезо-, микро- и макропор, морфологии пор на самовоспламенение углей и их пожароопасность.
8. Кроме того, необходимо изучить влияние состава примесей угля на его взрывопожароопасные свойства.
1. Уголь представляет собой многокомпонентную горную породу, которая состоит из неоднородной органической массы угля, влаги и минеральных включений различного состава.
2. Уголь образовался из остатков отмерших живых организмов, в первую очередь растительных, в результате их биохимических, химических и физических изменений. Превращение отмерших растений в уголь происходит в два этапа: первый - это гумификация, когда органическая масса под влиянием кислорода и бактерий претерпевает биохимическое превращение (образуется торф); второй - это углефикация, под влиянием температуры, давления и минеральных компонентов происходят геохимические процессы превращения торфа в бурый уголь, при дальнейшей углефикации бурые угли превращаются в каменные и антрациты.
3. Физические и технические свойства углей зависят от условий его происхождения. Основной характеристикой, отражающей склонность углей к самовозгоранию, является температура самовоспламенения (самовозгорания) угля.
4. Склонность углей к самовозгоранию зависит от их пористой структуры. Выполненные лабораторные исследования с помощью ртутного порозиметра Quantachrome Poremaster 33/60 (США) показали, что проба 1 бурого угля имеет наибольший объем пор, который составляет 0,13 см 3/г, при преобладающем диаметре пор 70 мкм. Объем пор проб 2 и 3 - минимальный из исследуемых образцов и составляет 0,04 см3/г при максимальном диаметре пор 250 мкм. Объем остальных проб каменного угля варьируется от 0,085 до 0,1 см 3/г при максимальном диаметре пор 173 мкм.
5. Максимальный общий объем мелких пор в буром угле указывает на его наибольшую склонность к самовозгоранию из изучаемых образцов угля, что подтверждается практикой эксплуатации угольных месторождений открытым и подземным способом.
6. Каменные угли обладают меньшей способностью к самовозгоранию и тлению по сравнению с бурыми углями, однако, следует отметить, что порах каменного угля может накапливаться метан, выделение и накопление которого в замкну
том пространстве взрывоопасно.
7. Для установления взаимосвязи между поровой структурой углей и их способностью к самовозгоранию необходимо продолжить исследования, основной задачей которых будет изучение влияния удельной поверхности материала, адсорбционной способности, соотношения мезо-, микро- и макропор, морфологии пор на самовоспламенение углей и их пожароопасность.
8. Кроме того, необходимо изучить влияние состава примесей угля на его взрывопожароопасные свойства.
